圆片级真空封装技术在MEMS陀螺中的应用

为维持MEMS硅微陀螺的真空度,利用两次硅-玻璃阳极键合和真空长期维持技术,实现了MEMS硅微陀螺的圆片级真空气密性封装。制作过程包括:先将硅和玻璃键合,在硅-玻璃衬底上采用DRIE工艺刻蚀出硅振动结构;再利用MEMS圆片级阳极键合工艺在10-5 mbar(1 mbar=100 Pa)真空环境中进行封装;最后利用吸气剂实现圆片的长期真空气密性。经测试,采用这种方式制作出的硅微陀螺键合界面均匀平整无气泡,漏率低于5.0×10-8 atm.cm3/s。对芯片进行陶瓷封装,静态下测试得出品质因数超过12 000,并对样品进行连续一年监测,性能稳定无变化。     

一种MEMS陀螺晶圆级真空封装工艺

为了提高MEMS陀螺的品质因数(Q值),提出了一种晶圆级真空封装工艺。先在陀螺盖帽晶圆上刻蚀出浅腔,然后在浅腔结构上制备钨(W)金属引线,再通过PECVD工艺淀积介质层,在介质层上制备钛/金(Ti/Au)键合环,最后将盖帽晶圆与制备好的结构晶圆完成金硅共晶键合,并利用吸气剂实现晶圆的长久真空封装。经测试,采用本方案的封装的气密性与金属层厚度紧密相关,调整合适的金属层厚度后可使真空泄漏速率小于2.0×10-12 Pa·m~3·s-1。此外,设计了一种特殊的浅腔阵列结构,该结构将金硅键合强度从小于20 MPa提升至大于26 MPa,同时可防止键合时液相合金向外溢流。对陀螺芯片的性能测试表明,该真空封装工艺简单有效,封装气密性良好,Q值高达168 540,满足设计指标要求。     

一种基于BCB键合技术的新型MEMS圆片级封装工艺

苯并环丁烯(BCB)键合技术通过光刻工艺可以直接实现图形化,相对于其他工艺途径具有工艺简单、容易实现图形化的优点。选用4000系列BCB材料进行MEMS传感器的粘接键合工艺试验,解决了圆片级封装问题,采用该技术成功加工出具有三层结构的圆片级封装某种惯性压阻类传感器。依据标准GJB548A对其进行了剪切强度和检漏测试,测得封装样品漏率小于5×10-3Pa.cm3/s,键合强度大于49N,满足考核要求。     

用苯并环丁烯进行圆片级硅–硅气密性键合

应用苯并环丁烯(BCB)材料对硅片进行了圆片级低温键合,并研究了其在气密性封装工艺中的应用。测试表明:在250℃的低温键合条件下,封装后样品的气密性优于3.0×10–4Pa.cm3/sHe;剪切力达4.7MPa以上;封装样品合格率达94%以上;通过热循环可靠性测试之后仍具有很好的气密性。BCB是一种较理想的圆片级低温气密性健合封装材料。     

MEMS圆片级封装用Cu-Sn低温键合机理与工艺研究

研究了利用低温等温凝固技术实现Cu-Sn键合在MEMS圆片级封装中的应用.基于Cu-Sn二元平衡相图,对键合层结构进行了设计,同时设计了用于测试的键合图形,并对设计的键合结构进行了流片实验.通过对圆片制作及键合等工艺的一系列优化,在250℃的低温条件下生成了熔点为415℃的金属间化合物,获得了良好的键合层.得到的键合样品剪切力强度值达到了GJB548B-2005标准的要求.研究表明,Cu-Sn等温凝固键合技术具有实际应用的潜力.     

高g微机械加速度传感器芯片盖帽封装设计北大核心

为了提高高g微机械加速度传感器在极端恶劣环境中应用的可靠性,根据自制的高g微机械加速度传感器芯片,研究设计了一种新型＂台阶式＂传感器芯片的盖帽封装结构。利用圆片级键合工艺和有限元分析（FEA）方法确定了盖帽封装结构材料与尺寸的设计方案。优化微电子机械系统（MEMS）加工工艺流程完成对盖帽封装结构的加工,并通过数字电子拉力机对实现圆片级盖帽封装的传感器芯片进行键合强度测试。测试结果表明,键合强度为35 000 kPa,远大于抗过载封装设计要求下的键合强度值（401.2 kPa）,证明了盖帽封装结构设计的可行性和可靠性。     

基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺

对基于BCB的圆片级封装工艺进行了研究,该工艺代表了MEMS加速度计传感器封装的发展趋势,是MEMS加速度计产业化的关键。选用3000系列BCB材料进行MENS传感器的粘结键合工艺试验,解决了圆片级封装问题,在低温250℃和适当压力辅助下≤2．5bar（1bar=100kPa）实现了加速度计的圆片级封装,并对相关的旋涂、键合、气氛、压力等诸多工艺参数进行了优化。     

应用BCB材料进行硅-玻璃气密性封装的实验与理论研究

应用苯并环丁烯(BCB)材料对硅片和玻璃片进行了250℃下的圆片级低温键合实验,同时进行了300℃下的硅片与玻璃片阳极键合实验,并对其气密性和剪切力特性进行了对比研究.测试结果表明:在250℃的低温键合条件下,经过500kPa He气保压2h,BCB封装后样品的气密性达到(5.5±0.5)×10-4Pa cc/s He;剪切力在9.0～13.4 MPa之间,达到了封装工艺要求;封装成品率达到100%.这表明应用BCB材料键合是一种有效的圆片级低温气密性封装方法.还根据渗流模型理论,讨论了简易模型下气密性(即渗流率)和器件腔体边缘到划片边缘的间距的关系.     

应用BCB材料进行硅-玻璃气密性封装的实验与理论研究

应用苯并环丁烯(BCB)材料对硅片和玻璃片进行了250℃下的圆片级低温键合实验,同时进行了300℃下的硅片与玻璃片阳极键合实验,并对其气密性和剪切力特性进行了对比研究.测试结果表明:在250℃的低温键合条件下,经过500kPa He气保压2h,BCB封装后样品的气密性达到(5.5±0.5)×10-4Pa cc/s He;剪切力在9.0～13.4 MPa之间,达到了封装工艺要求;封装成品率达到100%.这表明应用BCB材料键合是一种有效的圆片级低温气密性封装方法.还根据渗流模型理论,讨论了简易模型下气密性(即渗流率)和器件腔体边缘到划片边缘的间距的关系.     

应用BCB材料进行硅-玻璃气密性封装的实验与理论研究

应用苯并环丁烯(BCB)材料对硅片和玻璃片进行了250℃下的圆片级低温键合实验，同时进行了300℃下的硅片与玻璃片阳极键合实验，并对其气密性和剪切力特性进行了对比研究. 测试结果表明：在250℃的低温键合条件下，经过500kPa He气保压2h, BCB封装后样品的气密性达到(5.5±0.5)E-4Pacc/s He；剪切力在9.0~13.4MPa之间，达到了封装工艺要求；封装成品率达到100%. 这表明应用BCB材料键合是一种有效的圆片级低温气密性封装方法. 还根据渗流模型理论，讨论了简易模型下气密性（即渗流率）和器件腔体边缘到划片边缘的间距的关系.     

基于聚合物介质的低温硅硅键合研究

聚合物低温键合技术是MEMS器件圆片级封装的一项关键技术。以苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(Polyimide)、有机玻璃(PMMA)作为键合介质,对键合的温度、压力、气氛、强度等工艺参数进行了研究,并分析了其优缺点。通过改变Parylene的旋涂、键合温度、键合压力、键合时间等工艺参数进行了优化实验。结果表明,在230 ℃的低温键合条件下封装后的MEMS器件具有良好的键合强度(＞3.600 MPa),可满足MEMS器件圆片级封装要求。     

MEMS器件封装技术

综述了微电子机械系统(MEMS)封装主流技术,包括芯片级封装、器件级封装和系统及封装技术进行了。重点介绍了圆片级键合、倒装焊等封装技术。并对MEMS封装的技术瓶颈进行了分析。     

MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究

提出一种适用于微机电系统(MEMS)圆片级真空封装的键合结构,通过比较分析各种键合工艺的优缺点后,选择符合本试验要求的金硅键合工艺.根据所提出键合结构和金硅键合的特点设计键合工艺流程,在多次试验后优化工艺条件.在此工艺条件下,选用三组不同结构参数完成键合试验.之后对比不同的结构参数分别测试其键合质量(包括键合腔体泄漏率...     

多层圆片级堆叠THz硅微波导结构的制作

基于微电子机械系统(MEMS)工艺,提出一种多层圆片堆叠的THz硅微波导结构及其制作方法。为了验证该结构在制作THz无源器件中的优势,基于6层圆片堆叠的硅微波导结构,设计了一种中心频率365 GHz、带宽80 GHz的功率分配/合成结构,并对其进行了仿真。研究了制作该结构的工艺流程,攻克了工艺过程中的关键技术,包括硅深槽刻蚀技术和多层热压键合技术,并给出了工艺结果。最终实现了多层圆片堆叠功率分配/合成结构的工艺制作和测试。测试结果表明,尽管样品的插入损耗较仿真值增加3 dB左右,考虑到加工误差和夹具损耗等情况,样品主要技术指标与设计值较为一致。     

谐振式微型电场传感器芯片级真空封装及测试

为了降低传感器的驱动电压,提高该器件的品质因数和信噪比,该文研究封装材料和工艺对真空封装性能的影响,针对一种微机电系统(MEMS)谐振式微型电场敏感结构芯片,采用独特的共晶键合技术,实现该传感器的芯片级真空封装。实验结果表明,该传感器封装后的品质因数达到了30727.4,是常压封装的500倍;该封装器件具有更低的驱动电压,只需要直流分量100 mV和交流分量60 mVp-p,与常压测试时相比,分别只有原来的1/200和1/16。     

一种用于地震检波器的新型MEMS加速度传感器北大核心

设计了一种新型的可用于地震检波器的三明治结构MEMS电容式加速度传感器,采用四层硅-硅键合技术获得双面梁-质量块结构与圆片级真空封装,其具有大电容、高分辨率的特点。传感器采用悬臂梁结构减少高温键合过程中热蠕变带来性能影响,并具有良好的抗冲击性。传感器芯片体积为6.3 mm×5.6 mm×2.2 mm,其中敏感质量块尺寸为3.3 mm×3.3 mm×1.0 mm。对封装后的传感器性能进行了初步测试,结果表明,制作的传感器灵敏度达24.4 pF/g,谐振频率为808 Hz,Q值为22,在2 000 g,0.5 ms加速度冲击后仍能正常工作。接入闭环电路进行重力场静态翻滚实验标定,传感器二阶非线性小于0.2%,交叉轴敏感度小于0.07%。     

圆片级封装的新颖对准技术

对于3D互连、圆片级封装(WLP)和先进的MEMS器件的圆片键合,精密对准是一项关键技术,不同的MEMS,常常包含双面加工处理,而IC和CMOS制造业则只利用单面加工处理步骤,因此,圆片到圆片的对准必须使用设置在键合界面(也就是面对面)中的对准标记。论述了面对面对准方法的主要步骤,最新结果报导,用一种特殊开发的对准系统获得了≤1μm的对准精度。设备主要是为圆片对圆片的对准和键合而设计。     

一种基于TSV和激光刻蚀辅助互连的改进型CIS封装

提出了一种基于硅通孔(TSV)和激光刻蚀辅助互连的改进型CMOS图像传感器(CIS)圆片级封装方法.对CIS芯片电极背部引出的关键工艺,如锥形TSV形成、TSV绝缘隔离、重布线(RDL)等进行了研究.采用低温电感耦合等离子体增强型化学气相淀积(ICPECVD)的方法实现TSV内绝缘隔离;采用激光刻蚀开口和RDL方法实现CIS电极的背部引出;通过采用铝电极电镀镍层的方法解决了激光刻蚀工艺中聚合物溢出影响互连的问题,提高了互连可靠性.对锥形TSV刻蚀参数进行了优化.最终在4英寸(1英寸=2.54 cm)硅/玻璃键合圆片上实现了含有276个电极的CIS圆片级封装.电性能测试结果表明,CIS圆片级封装具有良好的互连导电性,两个相邻电极间平均电阻值约为7.6Ω.     

三明治电容式MEMS加速度计的器件级真空封装

为了降低微电子机械系统(MEMS)加速度器件的热机械噪声,提高信噪比,使之能应用于石油勘探和地震监测中,对一种三明治式电容加速度传感器的器件级真空封装工艺进行了研究。这种器件级真空封装方法采用可编程高真空封装设备和MEMS工业中常用的材料、工艺,可适用于不同尺寸或布局的MEMS芯片。利用该封装方法,对一种采用自停止腐蚀工艺在中间质量块键合层上制作出2个对称"V"型槽的三明治式电容加速度计进行了真空封装,并对封装后的器件进行性能测试。结果表明,该加速度计在有吸气剂的情况下,品质因子(Q)可达到76,理论热机械噪声为0.026μg/槡Hz,腔体内部压强小于13 Pa,He气细漏检测漏率低于3×10-10Pa.m3/s,氟油粗漏无气泡,满足地震监测要求。     

大尺寸楔形腔制备技术研究

谐振式光学陀螺凭借其体积小、可靠性高等独特优点,有望成为微小型化的高精度角速度测试仪器。从谐振腔对角速度传感影响原因进行分析,得出陀螺极限灵敏度与谐振腔品质因数Q和腔体直径D的乘积成正比。传统的楔形谐振腔加工采用MEMS工艺,流程简单,是制备大尺寸微腔的主要结构。然而,由于MEMS加工工艺技术的限制,微腔直径D越大,微腔结构的均匀性和表面粗糙度越难以保证,微米级的表面粗糙度极大的减小了微腔结构的Q值。因此,急需优化MEMS工艺技术来提高大尺寸微腔结构的表面粗糙度,提高光学微腔陀螺的极限灵敏度。通过对楔形腔制备工艺进行研究,制备楔形腔直径8mm,表面粗糙度1nm,Q值大于106,耦合效率大于95%。